兰州大学《卫星气象学》第4章-美国气象卫星观测系统-3-CALIPSO+Cloudsat

1《卫星气象学》电子课件（第一版）电子版（第一版）2《卫星气象学》电子课件（第一版）章节内容4.1A-Train卫星编队4.2TRMM热带降水卫星4.3GOSE静止卫星系列4.4NOAA极轨卫星系列3《卫星气象学》电子课件（第一版）4.1A-Train卫星编队CALIPSO卫星4《卫星气象学》电子课件（第一版）美国NASA在1998年与法国国家航天中心(CNES)合作开始实施“云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测”(Cloud-AerosolsLidarandInfraredPathfinderStatelliteObservations,CALIPSO)计划。主要任务：提供全球云和气溶胶观测数据，用于研究云和气溶胶在调节地球气候中的作用以及两者的相互作用。2006年4月28日，CALIPSO卫星由Delta-II火箭发射升空。主要荷载包括正交偏振云-气溶胶偏振雷达(CALIOP)、宽视场相机(WFC))和红外成像辐射计(IIR)，设计寿命为3年。CALIPSO卫星概述Delta-II火箭5《卫星气象学》电子课件（第一版）LITE试验美国是星载激光雷达的先行者,曾在1994年9月20日用发现号航天飞机搭载激光雷达进行了激光雷达空间技术试验(LidarIn-spaceTechnologyExperiments,LITE),证明了空间激光雷达在研究气溶胶和云方面的潜力。LITE成为世界上首个地球轨道激光雷达试验。6《卫星气象学》电子课件（第一版）雷达可分为微波雷达与激光雷达两大类。微波雷达：波长范围在1-1000mm之间，按波长分为毫米波、厘米波和分米波雷达激光雷达：工作在可见光和红外波段雷达的分类7《卫星气象学》电子课件（第一版）微波雷达优点：（1）微波具有穿云透雾的能力（2）微波可以全天候工作（3）微波对地表面的穿透能力较强◆缺点：微波雷达波长较长,相对于大气中的分子、气溶胶等微小粒子的尺寸要大得多,因此大气对微波的散射极其微弱,微波雷达的大气透过率很高,能实现全天时、全天候工作,但也正是由于这一点,微波雷达无法直接探测大气中的微小粒子。8《卫星气象学》电子课件（第一版）优点：激光雷达由于量子能量高、波长短的特性,弥补了微波雷达在大气气溶胶、分子等微小粒子探测方面的不足,成为探测气溶胶和大气分子的重要工具。缺点：由于激光雷达的波长较短，对于较厚的云层等无法穿透，因此在这种情况下无法获得云底的信息。分类：按运载平台分为：地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等。相对于全球观测，地基、车载以及机载激光雷达等观测范围都有限，只能在较小的区域内进行观测。而星载激光雷达则可以实现全球观测，尤其在海洋、南北极、沙漠等传统激光雷达难以观测的地区。那么激光雷达有什么特点呢？9《卫星气象学》电子课件（第一版）激光雷达L2S-SMIIMPL-4B10《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO卫星白天和晚上的轨道11《卫星气象学》电子课件（第一版）705km,sun-synchronousorbitThreeco-alignedinstruments:CALIOP:polarizationlidarIIR:ImagingIRradiometerWFC:Wide-FieldCameraLaserNd:YAG,2x110mJWavelength532nm,1064nmRepetitionrate20.16HzReceivertelescope1.0mdiameterPolarization532andFootprint/FOV100m/130radVerticalresolution30-60mHorizontalresolution333mLin.dynamicrange22bitsWavelength645nmSpectralbandwidth50nmIFOV/Swath125m/61kmWavelength8.65,10.6,12.05mSpectralresolution0.6-1.0mIFOV/Swath1km/64kmNETD@210K0.3KCalibration±1KImagingInfraredRadiometer(IIR)Wide-FieldCamera(WFC)CALIOP(Lidar)WideFieldCameraLidarTransmitterImagingInfraredRadiometerCALIPSO卫星负载及数据介绍13《卫星气象学》电子课件（第一版）云-气溶胶激光雷达发射和接受光路示意图14《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIOP发射和接受系统主要参数表15《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIOP采用了偏振技术，实现了全球覆盖。它是世界上首个应用型的星载云和气溶胶激光雷达，并具有三个通道（1064nm、532nm垂直及平行通道）以便接收这些通道的后向散射信号。CALIOP还提供了532nm体积退偏比的垂直廓线，退偏比是532nm垂直后向散射强度532nm平行后向散射强度之比．它反映的是被测颗粒的不规则程度．CALIOP还提供了色比值，颜色比是1064nm的后向散射强度与532nm总后向散射强度之比，通过颜色比能够识别颗粒的大小，颜色比越大，颗粒越大。16《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO卫星直观图17《卫星气象学》电子课件（第一版）WFC宽视角相机（WFC）是CT-633星跟踪器相机的改进装置，是一固定的天底单通道成像仪，采用单一谱段，波长范围270-620nm，主要目的是为了和Aqua卫星中的中分辨率成像光谱仪的一个谱段进行匹配。主要技术指标为：红外视场125m，行宽61km，数据传输率26kbS-1。18《卫星气象学》电子课件（第一版）WFC观测图像19《卫星气象学》电子课件（第一版）IIR红外成像辐射计（IIR）的幅宽是64km×60km，像素分辨率是lkm，其图像中心与CALIOP的波束保持对准。该设备采用单微辐射热测量计探测阵列，一旋转滤波器提供三通道的测量值。主要技术指标为：波长8.65μm,10.6μm,12.0μm,光谱精度0.6-1.0μm，红外视场lkm，行宽64km，噪声等有效温度分辨率0.3K(210K时)，校准精度±1K，数据传输率44kbS-1．20《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIOP数据分辨率介绍21《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIOP数据分辨率介绍22《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO数据产品介绍◆Level0:原始数据不公开。◆Level1:CALIOP532/1064nm消光后向散射信号廓线。水平分辨率为333米，垂直分为583雷达bin，每个bin的具体厚度称为垂直分辨率。IIR红外辐射通量；WFC辐射和反射比参数；Level1数据图像WaterCirrusVolcanicaerosol23《卫星气象学》电子课件（第一版）Level1数据图像WaterCirrusVolcanicaerosol激光雷达Level1不同通道的信号廓线数据图像24《卫星气象学》电子课件（第一版）Level1数据图像WaterCirrusVolcanicaerosol激光雷达Level1退偏比及颜色比廓线退偏比：衡量粒子的非球形，值越大，粒子越趋向于非球形颜色比：衡量粒子的相对大小25《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO数据产品介绍◆Level2：CALIOP云/气溶胶层数据产品：层积分消光后向散射、层高、层积分退偏比、柱反射比等。云产品水平分辨率分为333米，1千米，5千米；气溶胶产品为5千米。CALIOP云/气溶胶廓线数据产品：特征层的后向散射系数，消光系数以及退偏比的垂直廓线信息。水平分辨率5千米。CALIOP垂直特征层分布数据产品：云/气溶胶类型，云相等。IIR8.65/10.6/12.05微米的亮温，最上层云或气溶胶的有效发射率，冰云粒子形状指数，冰水路径等。WFC未发布。26《卫星气象学》电子课件（第一版）Level1数据图像WaterCirrusVolcanicaerosol激光雷达Level2垂直特征层分布产品退偏比：衡量粒子的非球形颜色比：衡量粒子的相对大小总的特征层分布云相态类型分布气溶胶类型分布27《卫星气象学》电子课件（第一版）IIRLevel2亮温数据28《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO数据处理流程CALIOPLevel2数据处理流程29《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO卫星应用举例（一）5km3kmDDDDDDDDDSSSSSaharaSouthAmericaMexicoD=dustS=smokeAduststormoccurredonAugust17,2006overSahara.Dustparticleswereloftedintotheairuptoanaltitudeof7kminthesourceandtransportedovertheNorthAtlanticOceanandfinallyintoGulfofMexicooverthenextdays.(Liuetal,JGR08)环境监测、追踪污染物的传输路径30《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO卫星应用举例（二）环境监测、追踪污染物的传输范围31《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO卫星应用举例（三）全球识别气溶胶的类型，为评估区域及全球气候变化提供观测依据32《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO卫星应用举例（四）全球识别气溶胶的类型，为评估区域及全球气候变化提供观测依据33《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO卫星应用举例（五）极地平流层云的识别，为极地气候及环境变化提供有力的科学依据34《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO卫星应用举例（六）全球海表风速的预估，为海洋安全作业提供潜在的指导35《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO卫星应用举例（七）全球海洋叶绿素的季节变化36《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO卫星应用举例（八）云-气溶胶相互作用是非常重要的科研前沿问题。左图中红色点表示云与气溶胶充分混合，蓝色表示未充分混合。结果表明：CALIPSO能够准确的识别云-气溶胶的混合类型，从而为它们之间相互作用的研究提供有力手段。37《卫星气象学》电子课件（第一版）CALIPSO卫星应用举例（九）云类型的全球识别38《卫星气象学》电子课件（第一版）4.1A-Train卫星编队CloudSat卫星39《卫星气象学》电子课件（第一版）1、CloudSat卫星基本概况CloudSat卫星作为卫星集群的一员，于2006年4月28日发射成功CloudSat卫星的主要仪器由美国航空航天局喷气动力实验室和加拿大航天局共同研制，美国鲍尔航天技术公司负责卫星主体的建造、测试和组装，并执行CloudSat卫星的发射和最初的入轨测试40《卫星气象学》电子课件（第一版）a:CloudSat卫星的扫描方式、b:轨道绕地球的轨迹、c:每轨扫描结构41《卫星气象学》电子课件（第一版）CloudSat卫星技术参数CloudSat是第一颗用主动毫米波雷达在全球范围内观测及研究云量，云的分布和垂直结构，辐射特性及降水信息的卫星。CPR与地基天气雷达有所不同，这些天气雷达通过厘米级的电磁波来探测降水雨滴尺度的粒子，而CPR的敏感性是天气雷达的1000倍，因此可用来探测更小的液态水粒子和冰晶粒子，但无视气溶胶。42《卫星气象学》电子课件（第一版）由于其主要有效载荷是94GHz(3mm波)云廓线雷达，它可以“切开”云层，获得许多有关云的最新气象数据，主要数据产品包括了云的宏观物理参量和微观物理参量。改进对云层结构和成分的研究，成为第1颗可以对云层特性进行全球测量的卫星。深入了解云的内部结构及其发展演变规律，定量了解云对气候的影响和反馈，更好地预测天气和气候